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量子照相機-量子物理開啟了影像記錄的新世代

我們常用「伸手不見五指」去形容多啦A夢的手,不過這個句話也可以說明一個地方沒有光就看不到東西。這個論述有三個關鍵字:「光」、「看」和「東西」。所謂的「看」或認何一種影像記錄,其實就是以感測器(眼睛、底片或CCD等)去補捉經過「東西」折射或反射後的「光」子。這種「看」的概念,理應牢不可破,但現在面臨到挑戰,一群在維也納從事量子光學研究的科學家利用量子物理的特性設計出一個實驗,讓他們可以透過一道未經過物體的光,拍攝到該物體的影像。為了向量子力學的鼻祖致敬,他們拍攝的物體之一,是一隻的輪廓。

量子照相機的第一張公開照片。Copyright: Patricia Enigl, IQOQI

量子照相機的第一張公開照片。Copyright: Patricia Enigl, IQOQI

這個實驗巧妙地改良了馬克詹達干涉儀(Mach-Zehnder interferometer,將處於「量子糾纏態」(quantum entanglement的光子對運用其中來完成物體的成像。嗯,不是很懂。沒關係,讓我們先從古典物理的講起,下圖為馬克詹達干涉儀的示意圖,左下角的分光鏡將光源一分為二,產生了兩道同相位的光,其中一道有經過物體、另一道則無,之後二道光會在右上角的分光鏡中會合,因為光波具有疊加特性,而其中一道光經過物體時會產生些微的相位差,因此成像時有干涉條紋的效果。

Mach-Zehnder interferometer 圖片來源:wikipedia

Mach-Zehnder interferometer
圖片來源:wikipedia

再來談談愛因斯坦眼中如鬼魅般(spooky)的「量子糾纏態」,wiki百科給的解釋為「兩個粒子在經過短暫時間彼此耦合之後,單獨攪擾其中任意一個粒子,會不可避免地影響到另外一個粒子的性質,儘管兩個粒子之間可能相隔很長一段距離」。以糾纏在一起的光子對而言,他們的波涵數不僅會線性疊加,還有非線性的乘積,因此你中有我、我中有你,當其中一道光被干擾時,另一道光的波涵數也會對應改變。這種糾纏的光子對可以利用雷射光與非線性晶體(non-linear crystal)相互作用而產生。

實驗架構 Copyright: Lois Lammerhuber

實驗架構
Copyright: Lois Lammerhuber

來看看這個實驗架構吧(如上圖示)!右下角的綠光為雷射光源(Laser),被分光鏡一分為二,會分別經過非線性晶體(NL1 NL2)而產生二雙糾纏態的光子對,即圖中的紅光及黃光。其中NL1產生的紅光會穿過欲拍攝之物體(Object)再進入NL2,二道黃光則會於另一個分光鏡交會重疊後指向感測器(Camera)。在這個實驗中,因為第一道紅光進入NL2而第二道紅光產自NL2,又二道黃光於觀測前先在分光鏡會合,所以最終的觀測者並不能區分紅光及黃光是由NL1或是NL2所產生,因此保有量子干涉效應(這個概念有一點像費曼的想像實驗);另一方面,透過量子糾繞態的關連,通過物體的紅光所承載之影像資訊亦會影響黃光的波涵數,因此接收黃光的感測器(Camera)可補捉到物體的影像。

還是看不懂?哈哈,其實筆者自已也是一知半解。還是直接說明這實驗最大的賣點:看東西的紅光並沒有被感測,而成像用的黃光則完全沒有經過物體!這打破了一般認知中「看」的概念。為了強調這點,本實驗中被拍攝的物體,其材質對黃光而言其實是透明的,就像X-ray看不到肌肉一般。故研究團隊認為這項發明有發展成醫療用途的潛力,對瞭解開天眼的靈異現象及量子糾纏的物理現象也很有幫助,研究成果已被發表於知名的期刊《Nature上。

參考資料

  1. Picturing Schrodinger’s cat: Quantum physics enables revolutionary imaging method. Phys.org [28/08/2014]
  2. Quantum physics enables revolutionary imaging method. Universitat wien [28/08/2014]
  3. Gabriela Barreto Lemos,Victoria Borish,Garrett D. Cole,Sven Ramelow,Radek Lapkiewicz &  Anton Zeilinger, “Quantum imaging with undetected photons", Nature 512, 409–412,2014.
  4. Mach-Zehnder interferometer. Wikipedia [12/09/2014]
  5. 量子糾纏態。維基百科 [12/09/2014]

本文轉載自作者部落格吳京的量子咖啡館

關於作者

吳京

正職是二個娃兒的奶爸,副業為部落格《吳京的量子咖啡館》之館主。為人雜學而無術、滑稽而多辯,喜讀科學文章,再用自認有趣的方式轉述,企圖塑造博學又詼諧的假象。被吐嘈時會辯稱:「不是我冷,是你們不懂我的幽默。」